三门核电主交流电系统与DCS接口方式分析

摘要：为实现电气设备的自动化控制和智能化监测，三门核电机组主交流电系统应用了智能电气设备以及现场总线技术。文章介绍了三门核电机组主交流电系统智能化电气设备的使用情况，以及与DCS的接口方式，分析了使用智能化电气设备、现场总线技术的优势，并指出了后续可以改进的地方。

关键词：电气设备；主交流电系统；DCS；设备接口；现场总线；AP1000

中图分类号：TM761文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）21-0073-03

随着工业行业现场设备的智能化以及现场总线技术的不断发展，现场设备逐渐具备了自动控制和保护功能，连接方式也从常规的硬接线方式发展到了现场总线方式，且电气类装置在自动化、智能化方面发展更快，应用也更为成熟。三门核电机组主交流电系统使用了自动化、智能化电气设备，并结合使用了现场总线技术与DCS（Distributed Control System，分散控制系统）接口，以此实现电气设备的自动化控制和智能化监测。

1系统功能简介

1.1仪表和控制系统

三门核电一期两台机组采用西屋公司AP1000三代核电技术，采用全数字化仪控技术，按照核安全相关性，安全级仪控系统采用ABB的Common Q控制平台，非安全级仪控系统即DCS采用艾默生的Ovation控制平台。

1.2主交流电系统

机组的主交流电系统不履行任何安全功能，由正常、优先、辅助电源组成。正常电源由电厂主发电机经厂用变压器供电；优先电源是通过500kV开关站、主变压器和厂用变压器供电；辅助电源通过辅助变压器供电；备用电源是由备用柴油发电机向有特殊保护功能负荷供电。母线额定电压分别为10.5kV和400V/380V，负荷供电原则如图1所示：

图1主交流电系统供电原则

1.3现场设备及现场总线技术发展

传统的工业应用中，由于现场设备大多自动化、智能化程度不高，不具备自动化保护功能，需要使用多个单独电气器件，通过硬接线连接方式来实现就地的控制和保护功能，现场设备也都是采用硬接线方式与DCS的输入/输出模块进行连接，从而接入DCS系统，在DCS系统实现与工艺系统的连锁保护功能。

随着工业行业要求提高设备运行的可靠性以及减少设备故障，现场设备逐渐向自动化、智能化方向发展，控制方式也向现场总线数字化通讯技术发展，但各领域现场设备的自动化发展水平是有差异的：

1.3.1过程仪表、气动阀门等智能设备，由于设备需要传输的信号量较少，一般是使用常规硬接线传输模拟量、开关量，并可以在传输模拟量的硬接线上结合HART等总线技术实现设备控制功能，在一定程度减少了电缆使用量。另外，在实际应用中，一些现场智能设备即使已经具备现场总线通讯能力，大多也会因为不能规模化普遍采用的原因，转而采用常规的硬接线连接。

1.3.2对于电气类设备，由于设备（如断路器、电机）需要监测的参数多，电气继电保护功能在可靠性、响应速度方面有要求，所以在自动化、智能化方面普遍发展水平较高，设备自身具备输入输出、逻辑组态能力，可以就地实现定值保护功能，可以通过现场总线通讯方式传递现场设备更多的状态信息供运行和维护人员参考和决策，从而提高电厂信息化水平，相关的电气自动化设备及现场总线技术在常规的工业行业也得到了比较广泛的应用和实践。

目前各大公司根据各自应用领域开发了不同的现场总线技术，并没有形成统一的现场总线标准，各现场总线技术由于不能直接互联通讯，在一定程度上制约了现场总线技术在更大范围的普及和应用。而且由于各公司产品在不同地域的推广力度不同，各现场总线技术在各地域的应用和普及度是有差异的，工业应用中主要是根据使用的电气设备所支持的现场总线技术来适配应用。目前应用较广的现场总线技术有Profibus、Modbus、Devicenet、FF等，IEC针对自动化开关站制定的IEC 61185规范也开始有了应用。

2主交流电系统的接口方式

三门核电机组主交流电系统，根据现场电气设备的智能化水平、采用的不同公司产品，各电压等级的电气设备与DCS的接口相应采用了不同方式，共有以下三种方式，采用的技术包括硬接线、现场总线Modbus和Profibus。

2.110.5kV中压电气设备

10.5kV中压母线供电给功率大于200kW的中压电机和400V交流负荷中心，使用SEL公司的智能继电保护模块进行综合继电保护和控制，采用硬接线和现场总线相结合的方式与DCS接口，即断路器的控制指令和位置状态通过硬接线直接送至DCS进行控制和连锁，满足快速响应的要求；而回路的电流、电压、保护报警、电能量等通过Modbus现场总线通信方式传送到DCS服务器，进而在主控制室显示和报警供运行人员参考。这种相对平衡的策略兼顾了响应速度、稳定性以及满足充分的监测信息各方面的需求。

对于电机负荷，使用了开关柜内继电保护模块自带的热电阻输入通道采集电机的定子线圈温度和轴承温度，由继电保护模块进行保护。另外，一些中压电机由于与中压开关柜距离较远（例如循环水泵电机），温度采集采取了就近接入DCS的方式，由DCS开发相关逻辑进行保护。

目前，中压设备未采用现场总线进行控制，但SEL继保设备本身是支持通过Devicenet和IEC 61185进行通讯和控制的，具备后续改造的硬件条件。

2.2低压电气设备——负荷中心

400V交流负荷中心供电给75～200kW的电机和380V交流电机控制中心，使用ABB带智能保护功能的断路器，全部采用常规的硬接线与DCS接口进行控制和信号反馈，这部分设备没有使用现场总线技术与DCS接口，没有传输详细的报警、电能量信息到DCS，后续如果需要改造采用现场总线控制，可以考虑加装额外的通讯模块实现。

2.3低压电气设备——电机控制中心

380V交流电机控制中心为不直接从负荷中心供电的电机、电动阀门供电，电气设备采用接触器以及西门子SIMOCODE智能电机控制器，通过Profibus现场总线与DCS的Profibus模块接口进行控制和监测。考虑到功能和实时性要求，每一段电机控制中心可以划分成几个Profibus网段进行组网，可以分散风险；一些特殊负荷（如稳压器主加热器）因为其重要性，DCS侧的Profibus模块进行了冗余配置；一些负荷需要额外的监测和联锁，是通过为SIMCODE基本控制单元增加输入/输出模块，从而来实现功能的扩充。

3实际应用的优缺点分析

三门核电机组将工业领域已经成熟应用的自动化、智能化设备以及现场总线技术应用到部分电气设备的控制和监测，提高了设备的自动化、智能化管理水平，工程项目在设计、建安、调试、运行和维护各阶段的工作局面有了新的变化。下文对其优缺点进行分析。

3.1主要优点

3.1.1由于电气继电保护设备具备集成化和智能化特点，设备级的继电保护功能直接由现场的继电保护设备通过逻辑组态实现，例如中压电机的定子线圈温度和轴承温度保护功能就直接在电气柜内继电保护设备实现，这样电气设备逐渐向现场级保护发展，从而进一步分散系统的风险，提高了系统的可靠性。

3.1.2现场设备采用现场总线技术，结合使用光纤通讯技术，大大增强了信号的抗干扰能力，可以提供稳定可靠的通讯；相对来说，硬接线方式由于很大一部分传输的是变化的电压、电流模拟量信号，而现场的电气、电磁环境复杂，本身抗干扰能力较弱，需要采取其他措施来提高抗干扰能力，例如需要在桥架和电缆屏蔽等方面进行考虑和设计。

3.1.3采用现场总线通讯，相对于一对一的硬接线连接方式，节省了二次控制电缆及桥架设计，减少了常规输入/输出模块的使用量，工程施工量也相应减少。

3.1.4基于智能化继电保护设备、现场总线技术，可以通过参数化的配置和组态来调试设备，减轻了调试工作量；系统也具有了较高的可靠性和灵活性，系统很容易进行重组和扩建，设备的一些保护功能变更也可以直接通过修改逻辑和定值实现，便于功能优化和维护。

3.1.5对于运行和维护而言，降低了设备的故障率，提升了设备的信息化管理水平，便于设备的故障诊断和维护。

3.2主要缺点

3.2.1目前电气设备结合使用现场总线技术、硬接线与DCS接口，没有全部应用统一的现场总线技术，不利于现场总线技术更大范围的应用。

3.2.2由于没有为主交流电系统设置一套独立的监控主站，而DCS调试由于其是机组各系统的仪控平台，DCS系统的可用往往是在倒送电之后，这种客观情况是不利于电气系统的调试开展的，很难在初期倒送电阶段满足设备的控制功能。目前对于倒送电范围的中压开关柜，是额外通过硬接线连接临时就地控制柜进行操作，这在一定程度上制约了电气系统的可用性。

4结语

三门核电机组主交流电系统使用智能电气设备以及现场总线技术，提升了电厂的自动化、智能化水平，进一步分散了系统的风险，可以整体提高系统的可靠性和稳定性，在积累应用经验后可以为其他后续项目提供参考，以进一步扩大应用的范围。

参考文献

[1]顾军，缪亚民，范福平，等．AP1000核电厂系统与设备（第1版）[M]．北京：原子能出版社，2010．

[2]孙茗．现场总线技术在火力发电厂电气控制系统中的应用[J]．电力勘测设计，2008，2（55）．

作者简介：董云川（1985-），男，重庆人，三门核电有限公司调试处助理工程师，研究方向：核电分布式控制与信息系统的调试和维护。

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